СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Выбор метода упрочнения шарошек буровых инструментов лунных и марсианских станций
1.1. Строение и состав Луны
1.2. Свойства марсианской поверхности
1.3. Строение и состав Марса
1.4. Выбор материала покрытия
1.5. Выбор метода упрочнения
1.6. Методы нанесения покрытий и их основные технико-экономические показатели
1.6.1. Методы газотермического нанесения покрытий
1.6.2. Детонационные способы нанесения покрытий
2. Конструкторская часть
2.1. Устройство и принцип работы плазматрона
2.2. Выбор режимов напыления
2.3. Структура математической модели
2.4. Энергетические и тепловые характеристики плазматрона
2.5. Тепловые и динамические параметры плазменной струи
2.6. Термодинамические и переносные свойства плазмообразующих газов
2.7. Расчет параметров частиц в плазменной струе
2.8. Влияние режимов плазменного напыления на свойства покрытий
3. Проектная часть
3.1. Назначение участка плазменного напыления
3.2. Состав участка плазменного напыления
3.3. Требования к оборудованию и помещениям
4. Технологическая часть
4.1. Операционный технологический процесс
4.1.1. Подготовка порошков
4.1.2. Вспомогательные материалы
4.1.3. Подготовка поверхности детали, промывка и обезжиривание
4.1.4. Предварительная механическая обработка
4.1.5. Абразивно-струйная обработка
4.1.6. Напыление
4.1.7. Механическая обработка
4.2. Контроль качества и дефектация
5. Промышленная безопасность и экология
5.1. Анализ опасных и вредных факторов, сопровождающих процесс плазменного напыления
5.1.1. Пылегазообразные вещества
5.1.2. Ультрафиолетовое излучение
5.1.3. Шум и ультразвук
5.2. Инженерные мероприятия по уменьшению воздействя вредных и опасных производственных факторов
5.2.1. Опасные факторы
5.2.2. Электробезопасность
5.2.3. Вентиляция
5.2.4. Защита от ультрафиолетового излучения
5.2.5. Методы борьбы с шумом
5.3. Расчет защиты от шума
5.3.1. Средства индивидуальной защиты от шума
5.4. Экологическая оценка проекта
6. Организационно-экономическая часть
6.1. Описание разработанной технологии
6.2. Характеристики базовой технологии напыления
6.3. Анализ объема выпуска изделия
6.4. Трудоемкость по этапам проектирования
6.5. Расчет затрат на разработку технологии плазменного напыления износостойкого покрытия
6.6. Расчет величин капитальных затрат, связанных с внедрением в производство проектируемого технологического процесса
6.7. Расчет технологической себестоимости напыления единицы продукции по проектируемому и базовому вариантам
6.8. Затраты на электроэнергию
6.9. Заработанная плата оператора плазменного напыления
6.10. Амортизация оборудования
6.11. Себестоимость изготовления годовой продукции по базовому и проектируемому вариантам
6.12. Сравнение базового и проектируемого вариантов по статьям затрат себестоимости изготовления продукции
6.13. Расчет показателей сравнительной экономической эффективности
Заключение
Список использованных источников
Введение
Бурное развитие космической техники позволяет думать, что колонизация космоса — вполне достижимая и оправданная цель. Целью полетов человека в космос должно стать обеспечение и увеличение возможности выживания через колонизацию космоса. Самодостаточные колонии в космосе, способные к последующей самостоятельной колонизации, обеспечат сохранность жизни в случае любых катастроф, которые могут произойти на Земле.
Колонизация космоса — это концепция расселения человечества, гуманизации пространства и постоянных человеческих поселений за пределами Земли. В настоящее время колонизация космоса является единственной консолидирующей идеей в мире, хотя существуют другие приоритеты и программы с двухтысячелетней историей, как, например, спортивные Олимпиады. Обычно, колонизация космоса рассматривается как долгосрочная цель любых национальных космических программ.
Первая колония может появиться на Луне, позже на Марсе, далее во всем пространстве Солнечной системы, позже в Поясе Койпера и в Облаке Оорта. Последние находятся за орбитой Урана и имеют триллионы комет и астероидов. На них могут быть все необходимые для поддержания жизни ингредиенты (водяной лёд, органические соединения и материалы для строительство космических станций) и большое количество гелия-3, который считается перспективным топливом для управляемых термоядерных реакций. Существует предположение, что расселяясь по таким облакам комет, человечество сможет достигнуть других звёздных систем без помощи субсветовых космических кораблей.
NASA выпустила план покорения Марса, основанный на том, что американский бюджет космические программы финансировать не будет. Поэтому новый сценарий колонизации Красной планеты ориентирован на привлечение частных инвестиций и полон маркетинговых идей. Смета всей кампании — $160 млрд.: этой суммы NASA хватит, чтобы основать на Марсе колонию к 2030 г. Подробно рассмотрев вопрос окупаемости предприятия, в NASA заключили, что марсианскую экспедицию вполне реально сделать прибыльным проектом. Для этого нужно превратить ее в величайшее медиасобытие в истории человечества. Для NASA Марс — это действительно будущее: околоземная орбита освоена, на Луне американцы были. Следующей задачей, способной продвинуть космическую науку и промышленность США, должна стать колонизация Марса. Но администрация Барака Обамы считает, что космические исследования можно поручить частникам и не финансировать из бюджета, по крайней мере не финансировать полностью. И NASA просчитала вариант с частным финансированием, реализуя таким образом волю американского президента.
Коммерческая привлекательность Марса не исчерпывается медийными возможностями (хотя именно они на первом этапе обеспечат основное финансирование, будучи проданными заранее). Та страна, которая прибудет на Марс первой, получит во владение все открытые ею территории и ресурсы. А при желании — и всю планету. Поэтому NASA просчитывает проект, полагаясь на возможности именно американских компаний и американских технологий. В этом основное отличие американской концепции от тех идей в отношении Марса, которые высказывают представители российской космонавтики. Здесь считают, что проект по отправке человека на Марс стоит затевать только в широкой международной кооперации. В оценке стоимости самого мероприятия ученые NASA и эксперты Роскосмоса не расходятся. В ГКНПЦ имени Хруничева представил свои расчеты, по которым на реализацию марсианской программы нужно 4,8 трлн руб. Это те же $160 млрд, о которых пишут ученые NASA.
Крупнейший в России производитель космической техники ГКНПЦ имени М.В. Хруничева представил свой план колонизации Солнечной системы. Создание орбитальных станций вокруг Луны и Марса с последующим строительством постоянно обитаемых баз на самих планетах возможно к 2040-2050 г., заверяют хруничевцы. По их оценкам, реализация этих целей потребует почти 5 трлн. руб. инвестиций. Проекты такого масштаба хруничевцы считают возможным осуществлять только силами межгосударственных консорциумов.
Доклад по «концептуальным положениям реализации планетных миссий» представил на Королевских чтениях в 2011г. заместитель гендиректора ГКНПЦ имени М.В. Хруничева Анатолий Кузин. По мнению специалистов «Хруничева», поход на другие планеты начинается с создания орбитальной сборочной платформы, куда можно запускать составные части межпланетных кораблей и поэтапно их собирать уже в условиях невесомости. Орбитальный «сборочно-экспериментальный комплекс», если будет поставлена такая задача, можно создать до 2037 г. В этой орбитальной мастерской из поэтапно прибывающих с Земли частей собирается модуль лунной орбитальной станции, который затем выводится на окололунную орбиту. С этой станции на Луне в несколько стадий строится сначала посещаемая, а со временем и постоянно обитаемая станция. Та же последовательность действий предложена и для колонизации Марса: сборка марсианского корабля на орбите Земли, создание орбитальной станции у Марса и лагерь на Красной планете.
Луна может предложить нам очень многое. Например, в состав её реголита (пылевидного слоя грунта на поверхности) входит множество химических элементов — кислород (40%), кремний (20%), железо (5—10%), алюминий (10%), кальций (10%), даже титан (3%) и магний (5%). Конечно, все эти сокровища необходимо ещё добыть. Ведь на Земле руду, содержащую меньше 25% железа, называют бедной, а меньше 16% вообще таковой не считают. В атмосфере Марса присутствуют углекислый газ (95%) и азот (3%). Основная составляющая почвы — кремнезём (20—25%), содержащий примесь гидратов оксидов железа (до 15%). В элементном составе марсианской почвы преобладает кремний (20%), присутствуют железо (12%), алюминий и магний. И совсем недавно на Марсе был обнаружен водяной лёд.
Просчитав параметры будущих кораблей и орбитальных станций, хруничевцы определили приблизительную стоимость программы: потребуется 160 — 170 млрд. руб. ежегодных инвестиций с 2020 по 2050 г. При расчетах в ценах 2010 г. «Стоимость складывается из орбитальной составляющей – ее разработки, создания и эксплуатации – и средств выведения. В пропорции приблизительно 50:50», — говорит Анатолий Кузин. «Хруничев» разрабатывает и производит как средства выведения, так и орбитальные станции. И может рассчитать стоимость межпланетной экспансии, основываясь на реально существующих ценах. В 2010 г. она составит 4.8 трлн. руб. Для сравнения: этого объем вкладов Сбербанка РФ, или чуть меньше половины фондовых инвестиций в российскую экономику за прошлый год.
Оценивать вероятность реализации программы сейчас затруднительно, поскольку возможности и желание крупнейших стран финансировать походы в дальний космос зависят от состояния их экономик. А точно прогнозировать экономическую конъюнктуру на 10 лет вперед считается невозможным. Очевидно, что «Хруничев» предложил максимальный набор возможных действий: начать с Луны, которую обживать в несколько этапов. Многие, если не большинство стратегий космической индустрии вообще предлагают Луной не заниматься, чтобы не распылять ресурсы на то, что человеком уже исследовано, а сразу начать с Марса, тем более что в ближайшие годы будет возможность в несколько раз ускорить космические корабли за счет использования ядерных двигателей. «Луна интересна с точки зрения науки, ресурсов, обеспечения жизнедеятельности Земли, — говорит Анатолий Кузин. – Проект таких масштабов может реализовываться только широкой международной кооперацией».
Mars Sample Return Mission — межпланетная космическая миссия на Марс, целью которой является сбор образцов марсианского грунта и доставка его на Землю для анализа. Это совместный проект НАСА и ЕКА. Старт миссии запланирован на 2022 год, на Землю образцы прибудут предположительно в период с 2024 до 2025 года. Миссия будет включать в себя орбитальный и спускаемый аппараты. Целью орбитального аппарата будет доставка спускаемого аппарата до орбиты Марса, и затем доставка образцов грунта обратно на Землю. Спускаемый аппарат будет содержать модуль для подъема грунта на орбиту Марса. Доставка образцов грунта с Марса позволит провести более глубокий анализ и получить гораздо больше полезной информации, чем путём исследования их марсоходами и другими автоматическими зондами. Кроме того, присутствие образцов на Земле стирает все ограничения по времени исследования, что позволит изучать их ещё годы после завершения миссии. Образцы также подвергнутся лабораторной экспертизе на живые или мёртвые формы жизни. Однако, вопрос о поддержании жизни на протяжении месяцев во время транспортировки грунта от Марса к Земле остаётся открытым, потому что не известны условия, которые для этого нужны. Если мёртвые формы жизни и будут найдены в грунте, то будет трудно установить, были ли они живы в момент сбора образцов.
Экзомарс (англ. ExoMars) — совместная программа Европейского Космического Агентства (ЕКА) и Российского национального космического агентства (Роскосмос) по исследованию Марса.
Цели программы:
Научные цели программы Экзомарс в порядке очередности:
- Поиск возможных следов прошлой или настоящей жизни на Марсе.
- Характеристика водного и геохимического распределения на поверхности планеты.
- Изучение поверхности и окружающей среды на планете, выявление опасностей для будущих пилотируемых полётов на Марс.
- Исследование недр планеты, чтобы лучше понять эволюцию и возможность обитаемости Марса.
- По выполнению всех задач, успешно закончить миссию возвращением на Землю.
Технологические цели:
- Осуществление посадки большегрузных аппаратов на поверхность Марса.
- Использование солнечной электроэнергии на Марсе.
- Использование буровой установки для взятия образцов марсианского грунта.
- Развитие исследований при помощи марсоходов-роверов.
В 2018 году к красной планете будет отправлен Экзомарс Ровер. Экзомарс Ровер — высоко автоматизированный шестиколёсный вездеход, будет весить 270 кг. Также рассматривают уменьшенную версию с меньшим весом 207 кг. Инструментарий будет состоять из 10 кг полезной нагрузки «Пастер», содержащей, среди других компонентов, 2-метровый подповерхностный бур. Бур может работать в различных типах почв, а длина его сверла 2 метра. Перевозчик доставит модуль с помощью спускаемого аппарата на Марс, после чего кран системы посадки «Sky» обеспечит мягкую посадку с высокой точностью. После благополучного приземления на поверхность Марса, ровер, пользуясь солнечной энергией, начнёт свою шестимесячную миссию. Для борьбы с трудностями дистанционного управления из-за отставания связи, Экзомарс будет иметь автономное программное обеспечение для навигации визуального ландшафта, со сжатым стерео-изображением, с установленных панорамных и инфракрасных камер на «мачте» марсохода. Для этого он создаст цифровые навигационные стерео карты с помощью пары камер, после чего автономно найдёт хорошую траекторию пути. Крупно-плановые камеры будут используются для обеспечения безопасности и предотвращения столкновений, что позволит безопасно проходить около 100 метров в сутки. После высадки и приземления ровера на поверхность Марса, Марсианский научный орбитальный аппарат будет работать как спутник-ретранслятор данных с марсохода.
Кoмпaния Mаrs One из Нидeрлaндoв планирует нaчать кoлoнизaцию Мaрсa. Пo иx рaсчeтaм чeлoвeк высaдится нa этoй плaнeтe в aпрeлe 2023 гoдa. Mаrs One вeрит, чтo стрeмлeниe людeй к исслeдoвaнию сoлнeчнoй систeмы вышe aмбиций чaстныx кoрпoрaций и oтдeльныx нaций. Кaк и миссия Апoллoнa нa Луну, кoлoнизaция Мaрсa будeт вдoxнoвлять цeлыe пoкoлeния, зaстaвлять вeрить, чтo всe вoзмoжнo и всe мoжeт быть дoстигнутo. Проект Mars One (Марс Один) планирует создать первые человеческие поселения на Марсе к апрелю 2023 года. Первый экипаж из четырех астронавтов эмигрирует на их новую планету с Земли после путешествия, которое займет семь месяцев. Новая команда будет присоединяться к поселению каждые два года. К 2033 году будет уже более двадцати человек, которые будут жить и работать на Марсе, в их новом доме.
Команда проекта Mars One работает над этим планом с начала 2011 года. В тот первый год были проведены широкие и исчерпывающие исследования целесообразности идеи, изучены все подробности с многочисленными специалистами и экспертными организациями. В этот анализ были включены не только технические элементы, но и всесторонне обсуждены финансовые, психологические и этические аспекты. Многие международные аэрокосмические компании, способные разрабатывать и поставлять основные компоненты оборудования для марсианской экспедиции, были заинтересованы в проекте. Mars One имеет внушительный список людей, которые поддерживают миссию на Марс. Одним из них является профессор, доктор Жерар Хоофт, физик лауреат Нобелевской премии 1999 года.
Хронология
В 2011 году, члены проекта Mars One работали над миссией непублично. После того, как миссия была распланирована, Mars One связался с поставщиками необходимых компонентов. Все потенциальные поставщики были в восторге от аполитичного, коммерческого, пилотируемого полета на Марс и подтвердили свою способность производить компоненты по мере необходимости.
Рисунок 1 – Эскиз марсианской станции
2013.Это будет год, в котором начнется отбор астронавтов. Кто будет одним из первых четырех человек на Марсе и из тех, которые последуют за ними через каждые два года после этого? Любой, кто чувствует, что может справиться с этой задачей, может претендовать на эту должность. Там будет в общей сложности 40 астронавтов. Из желающих полететь отбираться будут самые крепкие физически и психически. Марс Один построит копию марсианского поселения в пустыне на Земле, чтобы подготовить космонавтов и обеспечить реалистичное окружение, для проверки оборудования. Отбор космонавтов и их подготовка в смоделированной марсианской базе будет транслироваться по телевидению и в Интернете для публичного просмотра.
2014.Это будет год, в котором начнется подготовка к миссии поддержки. И продлится она вплоть до запуска в 2016 году. Также начнется производство первых марсианских спутников связи.
2016.Миссия поддержки будет запущена на Марс в январе 2016 года. Модуль приземлится на Красной планете в октябре 2016 года с грузом в 2500 кг продуктов питания или других материалов. Приземление будет совершено недалеко от того места, где предполагается расположение форпоста.
В 2018 году на Марс приземлится ровер. В то время как общее расположение базы будет известно, задачей марсохода будет поиск лучшего места в этой области.
Рисунок 2 – Модель приземления ровера
В 2021 году все компоненты поселения достигнут пункта назначения. В целом это будут два жилых модуля, два модуля жизнеобеспечения, второй модуль поддержки, второй марсоход. Два марсохода транспортируют все компоненты в найденное место расположения базы и подготовят их к прибытию астронавтов.
2022.Вся вода и кислород для создания атмосферы будут готовы в начале 2022 года, когда земной экипаж получит добро на запуск первой команды. Каждый компонент транспортного корабля будет запущен на низкую околоземную орбиту, где они и будут собраны воедино. 14 сентября 2022 войдет в историю как начало полета первых четырех астронавтов после последней проверки. Каждый этап этого полета будет доступен для просмотра на сайте проекта в режиме 24/7.
Астронавты приземлятся в 2023 году и станут первыми людьми в истории, ступившими на Марс. Они соединят все модули поселения вместе с помощью роверов. Затем они установят солнечные панели, и начнут свое великое исследование Марса, их новой планеты.
В июне 2025 года приземлится вторая группа. К их прибытию строительство марсианской базы уже будет завершено. Вторая группа также привезет новое оборудование. Например, это могут быть еще несколько роверов, которые будут помогать им в освоении их новой планеты.
Рисунок 3 – Модель марсианской базы
Выбор метода упрочнения шарошек буровых инструментов лунных и марсианских станций
Свойства лунной поверхности
На луне можно выделить три основных типа образований:
- Моря – обширные, темные и довольно плоские участки поверхности, покрытые базальтовой лавой. Берега большинства морей представляют собой обрывы, а по дну тянутся невысокие валы в десятки метров. Моря наверняка связаны с вулканической деятельностью, с извержением богатой железом базальтовой лавой.
Рисунок 4 – Фото Луны
- Материки – яркие приподнятые области, заполненные множеством больших и маленьких круглых кратеров, часто перекрывающихся, на долю которых приходится немногим более 83% площади поверхности Луны. Поверхность «материков», являющаяся более старой, гориста, ее уровень выше, чем у «морей», и разность средних высот достигает 2..3 км. Трещины и крутые каньоны шириной 1..2 км часто тянутся на сотни километров почти по прямой. Их глубина составляет от одной до нескольких сотен метров. Эти разрывные трещины в лавовой коре часто параллельны краям морей. Некоторые из них напоминают меандры русел земных рек.
- Горные цепи, столь знакомые нам на Земле, такие как Апеннины, довольно редки на Луне и много небольших горных систем – кольцевые структуры (цирки), подобные той, что окружают кратер Коперник. Основные цепи гор на видимой стороне Луны (Апеннины, Альпы и Кавказ) Конечно были сформированы столкновением, породившим Море Дождей. Концентрические цепи гор окружают и некоторые другие моря. Некоторые горы вдоль южного края Луны сравнимы по высоте с Эверестом. Максимальные высоты лунных гор ~ 5 км. Горы пологие с уклоном в 15-20°. Более гориста обратная сторона Луны. Уровень в круговых «морях» в районных несколько повышенной плотности лунной породы (в так называемых масконах) обычно более чем на километр ниже, чем у «морей» неправильной формы и уступает 4 км максимальной высоте материков.
Строение и состав Луны
Рисунок 5 – Схема строения Луны
Плотность лунных пород составляет в среднем 3.343 г/см3, что заметно уступает средней плотности для Земли (5.518г/см3). Это различие связано главным образом с тем, что уплотнение вещества с глубиной проявляется на Земле значительнее заметнее чем на Луне. Имеются и различие в минералогическом составе лунных и земных пород: содержание оксидов железа в лунных базальтах на 25%, а титана – на 13% выше, чем в земных. Исследованные лунные грунты содержат 70 химических элементов. Основными лунными породами являются: 1) морские базальт, более или менее богатые железом и титаном; 2) материковые базальты, богатые камнем, редкоземельными элементами и фосфором; 3) алюминиевые материковые базальты – возможный результат ударного плавления; 4) магматические породы, такие, как анортозиты, пироксениты и дуниты. «Морские» базальты на Луне отличаются повышенным содержанием оксидов алюминия и кальция и относительно более высокой плотностью, что связывают с их глубинным происхождением. Цвет грунта от темно-серого до черноватого. Обнаружены прозрачные и мутноватые капли-шарики. Лунный грунт обладает чрезвычайно низкой теплопроводностью, такой, что самые лучшие земные теплоизоляционные материалы передают тепло лучше лунного грунта.
Свойства марсианской поверхности
Рисунок 6 – Марсианская поверхность
Марс — планета земной группы с разреженной атмосферой (давление у поверхности в 160 раз меньше земного). Особенностями поверхностного рельефа Марса можно считать ударные кратеры наподобие лунных, а также вулканы, долины, пустыни и полярные ледниковые шапки наподобие земных. Две трети поверхности Марса занимают светлые области, получившие название материков, около трети — тёмные участки, называемые морями. Моря сосредоточены, в основном, в южном полушарии планеты, между 10 и 40° широты. Полушария Марса довольно сильно различаются по характеру поверхности. В южном полушарии поверхность находится на 1—2 км над средним уровнем и густо усеяна кратерами. Эта часть Марса напоминает лунные материки. На севере большая часть поверхности находится ниже среднего уровня, здесь мало кратеров, и основную часть занимают относительно гладкие равнины, вероятно, образовавшиеся в результате затопления лавой и эрозии. Большое количество кратеров в южном полушарии предполагает, что поверхность здесь древняя — 3—4 млрд лет. Выделяют несколько типов кратеров: большие кратеры с плоским дном, более мелкие и молодые чашеобразные кратеры, похожие на лунные, кратеры, окружённые валом, и возвышенные кратеры. Последние два типа уникальны для Марса — кратеры с валом образовались там, где по поверхности текли жидкие выбросы, а возвышенные кратеры образовались там, где покрывало выбросов кратера защитило поверхность от ветровой эрозии. В области хаотического ландшафта вблизи границы полушарий поверхность испытала разломы и сжатия больших участков, за которыми иногда следовала эрозия (вследствие оползней или катастрофического высвобождения подземных вод), а также затопление жидкой лавой. Хаотические ландшафты часто находятся у истока больших каналов, прорезанных водой. Внешний вид Марса сильно изменяется в зависимости от времени года. Прежде всего, бросаются в глаза изменения полярных шапок. Они разрастаются и уменьшаются, создавая сезонные явления в атмосфере и на поверхности Марса.
Рисунок 7 – Полярная шапка Марса
Полярные шапки состоят из двух составляющих: сезонной — углекислого газа и вековой — водяного льда. По данным со спутника Марс Экспресс толщина шапок может составлять от 1 м до 3,7 км. Аппарат «Марс Одиссей» обнаружил на южной полярной шапке Марса действующие гейзеры. Как считают специалисты НАСА, струи углекислого газа с весенним потеплением вырываются вверх на большую высоту, унося с собой пыль и песок. Весеннее таяние полярных шапок приводит к резкому повышению давления атмосферы и перемещению больших масс газа в противоположное полушарие. Скорость дующих при этом ветров составляет 10—40 м/с, иногда до 100 м/с. Ветер поднимает с поверхности большое количество пыли, что приводит к пылевым бурям. Сильные пылевые бури практически полностью скрывают поверхность планеты. Пылевые бури оказывают заметное воздействие на распределение температуры в атмосфере Марса. По фотографиям Маринера-7 удалось определить, что полярные шапки имеют толщину в несколько метров, а измеренная температура 115 K (-158 °C) подтвердила возможность того, что она состоит из замерзшей углекислоты — «сухого льда». Данные аппарата «Марсианский разведывательный спутник» позволили обнаружить под каменистыми осыпями у подножия гор значительный слой льда. Ледник толщиной в сотни метров занимает площадь в тысячи квадратных километров, и его дальнейшее изучение способно дать информацию об истории марсианского климата.
Строение и состав Марса
Современные модели внутреннего строения Марса предполагают, что Марс состоит из коры со средней толщиной 50 км (и максимальной до 130 км), силикатной мантии толщиной 1800 км и ядра радиусом 1480 км. Плотность в центре планеты должна достигать 8,5 г/см³. Ядро частично жидкое и состоит в основном из железа с примесью 14—17 % (по массе) серы, причём содержание лёгких элементов вдвое выше, чем в ядре Земли. Согласно современным оценкам формирование ядра совпало с периодом раннего вулканизма и продолжалось около миллиарда лет. Примерно то же время заняло частичное плавление мантийных силикатов. Из-за меньшей силы тяжести на Марсе диапазон давлений в мантии Марса гораздо меньше, чем на Земле, а значит в ней меньше фазовых переходов. Предполагается, фазовый переход оливина в шпинелевую модификацию начинается на довольно больших глубинах — 800 км (400 км на Земле). Характер рельефа и другие признаки позволяют предположить наличие астеносферы, состоящей из зон частично расплавленного вещества.
Рисунок 8 – Строение планет солнечной системы
Рисунок 9 – Поверхностный слой марсианской почвы
Элементный состав поверхностного слоя марсианской почвы по данным посадочных аппаратов неодинаков в разных местах. Основная составляющая почвы — кремнезём (20—25 %), содержащий примесь гидратов оксидов железа (до 15 %), придающих почве красноватый цвет. Имеются значительные примеси соединений серы, кальция, алюминия, магния, натрия (единицы процентов для каждого).
Согласно данным зонда НАСА «Феникс» (посадка на Марс 25 мая 2008 года), соотношение pH и некоторые другие параметры марсианских почв близки к земным, и на них теоретически можно было бы выращивать растения. «Фактически, мы обнаружили, что почва на Марсе отвечает требованиям, а также содержит необходимые элементы для возникновения и поддержания жизни как в прошлом, так и в настоящем и будущем», сообщил ведущий исследователь-химик проекта Сэм Кунейвс. Также, по его словам, данный щелочной тип грунта многие могут встретить на «своём заднем дворе», и он вполне пригоден для выращивания спаржи.
В месте посадки аппарата в грунте имеется также значительное количество водяного льда. Орбитальный зонд «Марс Одиссей» также обнаружил, что под поверхностью красной планеты есть залежи водяного льда. Позже это предположение было подтверждено и другими аппаратами, но окончательно вопрос о наличии воды на Марсе был решен в 2008 году, когда зонд «Феникс», севший вблизи северного полюса планеты, получил воду из марсианского грунта
Выбор материала покрытия
Бурильный инструмент необходимо делать из титана чтобы вся конструкция была легче, но титан не износостойкий материал поэтому необходимо нанести на него износостойкое покрытие.
Выбор материалов для нанесения упрочняющих покрытий определяется видом износа. В свою очередь вид износа зависит от условий работы машины, агрегата, узла. В поставленной задаче детали работают в условиях сильного ударно-абразивного износа.
Выбор материала покрытия оптимального состава вызывает определенные трудности, поскольку наплавка слоев с заданными физико-механическими свойствами зависит от многих факторов: состава материала покрытия, состава металлической основы детали, характера взаимодействия легирующих элементов, способа и режимов нанесения покрытия и др.
При восстановлении деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа, используют твердые порошковые сплавы, которые во много раз повышают срок службы этих деталей. Твердые сплавы особого класса – это износостойкие металлические материалы, обладающие высокой твердостью и сохраняющие ее при высоких температурах в процессе работы. Для твердых сплавов характерно содержание большого количества карбидов и боридов, сцементированных соответствующей эвтектикой. Название “твердые сплавы” условное, поскольку большинство из них имеют твердость ниже твердости закаленных высокоуглеродистых сталей, которая составляет HRC 56-60. Однако, износостойкость сплава, например, ПГ-С1, твердость которого HRC 45-50, выше, чем у сталей.
Износостойкость напыленных слоев определяется не только наличием в сплаве тех или иных карбидов, но и строением матрицы – основы сплава, которая может быть ферритной, аустенитной, мартенситной.
Феррит имеет низкую твердость, и в силу этого в нем плохо удерживаются твердые карбидные частицы, характеризующие износостойкость сплава. Мартенситная основа обладает наибольшей износостойкостью при абразивном изнашивании, но при отсутствии ударных нагрузок. При ударных нагрузках из-за высокой хрупкости происходит выкрашивание карбидов, что ускоряет изнашивание. Более высокую износостойкость при ударных нагрузках обеспечивает аустенитная и аустенитно-мартенситная основы. Аустенит по сравнению с мартенситом менее износостойкий, но зато более вязкий и создает условия для прочного удержания внедренных карбидных частиц в своей основе.
Но и в аустенитной матрице для получения с высокой износостойкостью количество карбидов должно быть в определенных пределах. Значительное увеличение их может уменьшить износостойкость сплава, так как карбиды начинают выкрашиваться, а не изнашиваться. При ударно-абразивном изнашивании рекомендуется, чтобы количество карбидной фазы не превышало 25-30%.
Наиболее полно отвечают требованиям ударно-абразивной стойкости хромоникелевые порошки. За исключением хрома и никеля эти сплавы содержат в своем составе углерод, присадки бора и кремния, которые снижают температуру плавления и придают сплавам способность самофлюсования.
Никель является очень ценным легирующим элементом, позволяющим в широких пределах регулировать количество аустенита в сплавах и тем самым получать наплавочные слои с различными физико-механическими свойствами.
Хром – карбидообразующий элемент; в зависимости от содержания углерода и температуры нанесения покрытия хром образует карбиды различного состава. С увеличением содержания хрома повышаются твердость и износостойкость сплавов, но понижаются пластичность и увеличивается склонность к образованию трещин. Хром способствует упрочнению основы сплава, а также повышает устойчивость сплава к коррозии.
Углерод – основной карбидообразующий элемент. При его содержании в материале покрытия до 0,6% в сочетании с другими карбидообразующими элементами образуются сплавы с доэвтектической структурой, отличающейся высокой ударостойкостью при сравнительно высокой износостойкости. При содержании углерода более 2% образуются заэвтектические структуры с количеством карбидов до 40%. Такие сплавы обладают высокой износостойкостью, но пониженной ударнойпрочностью.
Бор дает углероду и хрому различные соединения в виде боридов и карбоборидов. Введение небольшого количества бора значительно повышает твердость и износостойкость сплава, но резко снижает вязкость, что является причиной образования трещин при напылении. Бор обладает флюсующими свойствами.
Кремний — сильный раскислитель, карбидов не образует, служит составной частью твердого раствора, способствует повышению жаростойкости сплавов. При содержании его свыше 4% структура напыленного слоя ухудшается: снижается ударная вязкость и повышается хрупкость.
Среди состава основных порошковых твердых сплавов, таких как ПР-H73X16C3P3, ПР-H70X17C4P4, ПГ-СР3, ПР-H80X13C2P, ПГ-ФБХ6-2, известно, что покрытия из ПР-H70X17C4P4 обладают наибольшей твердостью 62-65 HRC и температурой плавления.
Таблица 1 – Свойства покрытий в зависимости от материала
| Марка | Тпл , 0С | HRC | Свойства покрытий |
| ПР-Н67Х18С5Р4 | 1000 | 60..62 | Высокая износостойкость, высокая коррозионная устойчивость и жаростойкость, хорошая прочность сцепления со сталями |
| ПР-Н70Х17С4Р4 | 990 | 55..59 | |
| ПГ-СР4 | 990 | 58..62
| Твердость и износостойкость сплавов возрастают, а сопротивление удару падает по мере увеличения в них содержания углерода, бора и кремния |
| ПР-Х4Г2Р4С2Ф | 1200 | 58..60 | Высокая износостойкость |
| ПР-Х5 | 58..62 | Высокая износостойкость при больших нагрузках и скоростях скольжения |
Выбор метода упрочнения
Существует большое число методов упрочнения рабочих поверхностей деталей машин. Выбор материала и метода нанесения того или иного покрытия зависит от способности изделия противостоять воздействиям внешней среды, в которой ему предстоит работать. В настоящее время у нас и за рубежом применяются следующие газотермические процессы получения защитных слоев: вакуумные, ионно-плазменные, импульсные, осаждение из газовой фазы, наплавка, металлизация, детонационное, газопламенное и плазменное напыление.
Процессы нанесения покрытий все более и более совершенствуются. В самые последние годы появились новые технологические процессы, занимающие теперь значительное место в специальной литературе.
Широко используемые в электронной, оптической, атомной промышленности, авиации и даже в машиностроении эти новые способы, недавно внедренные в отрасль нанесения покрытий и обработки поверхности, вызывают в настоящее время особенный интерес в частности по следующим причинам:
- — Повышение цен на сырые материалы (медь и её сплавы, никель и его сплавы, хром и т. д.), что побуждает промышленников к поискам заменителей, использованию покрытий из пластических, композиционных, материалов или смесей обычных металлов (Fe — Al …).
- — Повышениестоимостиэксплуатации агрегатов нанесения покрытий в связи с ужесточением контроля над стоками и условиями работы трудящихся.
3- Увеличение спроса на более сложные покрытия в связи с повышением показателей работы машин, двигателей, электрических частей и т. д.
В данной работе дается анализ современных процессов нанесения покрытий, которые находятся в распоряжении специалистов, с энергетической и технологической точек зрения.
В настоящее время у нас и за рубежом успешно применяются также и газотермические процессы получения защитных слоев: наплавка, металлизация, детонационное, газопламенное и плазменное напыление.
Одним из наиболее распространенных способов упрочнения поверхности деталей и их реставрации является метод наплавки.
Наплавка — один из наиболее распространенных методов нанесения покрытий на детали машин и механизмов, используемых в народном хозяйстве.
Существует множество способов наплавки: ручная, автоматическая, под флюсом, аргоно-дуговая, шлаковая, вибро-дуговая, плазменная и др. При всех способах наплавки характерным является расплавление поверхности детали и наплавочного материала в виде проволоки или порошка под действием электрической дуги или другого концентрированного источника тепла и перенос расплавленного металла на поверхность детали. После кристаллизации и остывания металл сварочной ванны превращается в наплавленный валик. В составе наплавленного металла имеются различные по составу и структуре участки: зона литого металла, зона термического влияния, где произошло изменение структуры и свойств основного металла. Зона термического влияния нередко является местом образования хрупких фаз, приводящих к резкому изменению физико-механических свойств детали: понижению усталостной прочности и упругости металла детали, возникновение внутренних напряжений в теле детали.
В то же время наплавка металлов дает возможность получать покрытия, равнопрочные с основой, регулировать свойства поверхности наплавленного металла, получать покрытия с требуемыми свойствами: кислотоупорные, жаростойкие, коррозионностойкие, износостойкие, антифрикционные. Однако наплавку нельзя применять для деталей из сплавов железа с содержанием углерода более 0,45% вследствие его значительного выгорания, а также для легкоокисляющихся сплавов.
Существенным недостатком этого метода является значительный нагрев поверхности (до 1300К), вызывающий нежелательные структурные превращения в основе, а последующее охлаждение ведет к образованию трещин в наплавленном слое, вследствие чего усталостная прочность деталей снижается на 35-60%. Недостатком, ограничивающим применение наплавки в изделиях специальной техники, является также и сложность получения на поверхности детали тонких, отличных от основы по химическому составу и физическим свойствам, покрытий. Это ограничение возникает из-за расплавления основного металла детали и частичного перемешивания с металлом наплавки.
В настоящее время получили мощное развитие и такие газотермические способы нанесения покрытий как:
электродуговая металлизация,
газопламенное напыление,
плазменное напыление.
Характерной чертой этих способов образования покрытий является отсутствие расплавления металла основы или минимальная степень его оплавления.
Способы газотермического напыления отличаются более высокой производительностью (в 10-1000 раз) по сравнению с наплавкой. Возможно получать покрытия практически из любых материалов толщиной от 10-5 м до 10-2 м и более.
Газотермическому напылению присущи следующие недостатки: прочность сцепления покрытия с основой невысока и составляет 20-40 МПа. При этом прочностные свойства зависят от способа напыления и возрастают в ряду: газопламенное напыление, электродуговая метал-лизация, плазменное напыление [2].
Способ газопламенного напыления отличается простотой и низкой стоимостью применяемого оборудования.
Основным недостатком газопламенных покрытий является низкая прочность сцепления их с материалом основы, например для NiAl она достигает 22 МПа, и низкие механические свойства покрытий. Кроме этого, данный метод не позволяет напылять материалы с высокой температурой плавления, так как температура пламени не превышает 3000 К.
В изделиях специальной техники наибольшее применение нашел способ плазменного напыления покрытий.
Плазменное напыление осуществляется с помощью плазменной струи. Поток плазмы характеризуется следующими энергетическими показателями: температура в ядре достигает 30000 К, скорость струи 300-600 м/с, коэффициент теплопередачи 284 МДж/с м2.
Характерным отличием процесса плазменного напыления от газопламенного является более высокая температура в плазменной струе, инертность среды и более высокие скорости полета частиц. Эти особенности метода позволяют в широком диапазоне регулировать свойства покрытий и в значительной степени устранять недостатки, присущие газопламенному методу напыления. Например, плазменные покрытия из порошка стали имеют в 3 раза большую прочность сцепления, чем газопламенные.
К недостаткам метода плазменного напыления следует отнести их недостаточное сцепление с основой.
Современные разработки по усовершенствованию этого способа позволяют, приближаясь по прочностным характеристикам к покрытиям, нанесенным детонационным напылением, полностью исключить недостатки, присущие электрометаллизации и газопламенному напылению, как-то ограниченный круг материалов покрытий и невысокая их плотность.
Классифицируя методы нанесения покрытий по таким критериям, как толщина покрытия, его прочность, разнообразие материалов покрытия и возможность их применения в специальной технике — можно сказать, что не существует метода нанесения покрытий, удовлетворяющего всем требованиям, предъявляемым к сопряженным деталям. В частности, оптимальную толщину покрытия для большинства пар трения в пределах 0,5-4,0 мм возможно нанести путем наплавки или газотермическим напылением.
Контактная прочность покрытия в пределах 100-500 МПа обеспечивается наплавкой, но практически недостижима для газотермического напыления.
Наиболее широко можно варьировать материалами в составе покрытий при нанесении их газотермическим, в частности, плазменным напылением. Возможно использование металлов, керметов, керамики. Все другие методы нанесения покрытий резко ограничивают выбор используемых материалов.
Таким образом, наиболее полно используются преимущества газотермического напыления практически любых материалов и их композиций при разработке гибридных технологий, объединяющих в своем составе различные принципы воздействия на материал покрытия. При этом можно существенно увеличить прочностные свойства напыляемых покрытий.
Методы нанесения покрытий и их основные технико-экономические показатели
Таблица 2 – Методы нанесения покрытий
| Метод нанесения покрытий | Температура струи,дуги, К | Нагрев подложки, К | Скорость струи, м/с | Скорость частиц порошка,м.с-1 |
| Газопламенный | 2800 | 370-500 | 30-120 | 30-50 |
| Металлизационный | 6300 | 400-550 | 100-160 | 25-30 |
| Детонационный | 2800 | 470 | 2950 | 700-820 |
| Плазменный | 7000-20000 | 370-470 | 200-2500 | 63-250 |
| Плазменно-воздушный | 0.1-50 | 20-50 | 5-25 | 1 |
| Газопламенный | 0.1-10 | 10-25 | 3-4 | 6,3 |
| Метализация | 0.1-5 | 5-15 | 4-5 | 1,4 |
| Детанационный | 0.05-0.5 | 75-100 | 0.9-1 | 21,4 |
Использование износостойких, коррозионностойких, жаростойких, химически стойких, электроизоляционных, теплоизоляционных и других видов покрытий позволяет резко сократить потери металлов, расход ресурсов на их возмещение и дает возможность повысить качество, надежность и долговечность машин, оборудования и сооружений. Повышение технического уровня и качества машин — важнейший резерв роста производительности труда, экономии всех видов ресурсов и основа научно- технического прогресса.
Для придания поверхностям широкого диапазона свойств, удовлетворяющих различным эксплуатационным требованиям изделий, применяется множество способов создания покрытий.
Методы газотермического нанесения покрытий
а — пламя горючий газ — кислород; б — пламя горючий газ — сжатый воздух; в — электрическая дуга: г — индукционный нагрев; д — нагрев сопротивлением; е — стабилизированная газом электродуговая плазма; ж — принцип ракетного нагрева;
1 — сжатый воздух; 2— смесь горючего газа и кислорода; 3 — распыляемая проволока; 4 — металлизационный факел; 5 — порошок; 6 — смесь горючий газ — воздух; 7 — распыляемая проволока (+); 8 — сжатый воздух; 9 — распыляемая проволока (—); 10 — электрическая дуга; 11 — катушка, охлаждаемая водой; 12 — изоляционный материал; 13 — распыляемая проволока; 14 — концентратор; 15 — нагревательная спираль; 16 — жидкий металл; 17 — сжатый воздух или защитный газ; 18 — подача порошка; 19 — водяное охлаждение; 20 — струя плазмы; 11 — подвод тока, сток воды; 22 — электрод; 23 — подвод тока, ввод воды; 24 — ввод плазмообразующего газа; 25 — водяное охлаждение; 26 — ввод воды; 27 — проволока; 28 — горючий газ; 26 — кислород; 30 — сток воды; 31 — камера сгорания
Рисунок 10 – Методы нанесения покрытий
Детонационные способы нанесения покрытий
Рисунок 11 — Схема детонационных способов нанесения покрытий
Детонационное напыление — одна из разновидностей газотермического напыления промышленных покрытий, в основе которого лежит принцип нагрева напыляемого материала (обычно порошка) с последующим его ускорением и переносом на напыляемую деталь с помощью продуктов детонации. При детонационном напылении для нагрева и ускорения напыляемого материала используется энергия продуктов детонации газокислородного топлива. В качестве горючего газа обычно применяется пропан-бутановая смесь.
Благодаря высокой скорости напыляемых частиц (600—1000 м/сек.), детонационные покрытия обладают плотностью, близкой к плотности спечённого материала и высокой адгезией. Детонационное напыление позволяет напылять широкий круг материалов: металлы и их сплавы, оксиды, твёрдые сплавы на основе карбидов. При этом нагрев напыляемого изделия незначителен.